Файл: Лабник по схемотехнике.doc

где w_Н2 =1/t_Н2  1/C₂(R_К+R_Н) также является низшей граничной частотой, связанной с постоянной времени конденсатора С₂.

Определяя влияние С₃ при C₁ = C₂ = ¥, имеем

K_U(w) = K_U'/(1+w_Н3 / jw)

и w_Н3 =1/t_Н3 = 1/(C₃((h _11Э+R_Б || R_Г)/(b+1)) ||R_Э ).

Совместный учет всех трех емкостей при некоторых допущениях (но достаточно сложных выкладках) приводит к приближенному соотношению

K_U(w) = K_U'/((1+w_Н1 / jw)(1+w_Н2 / jw)(1+w_Н3 / jw)). (2.5)

Производя перемножение в знаменателе и отбрасывая малые члены, получим

K_U(w) @ K_U' / (1+w_Н / jw), (2.6)

где w_Н = w_Н1+ w_Н2+ w_Н3 – низшая граничная частота усиления, на которой коэффициент передачи напряжения уменьшен в раз по сравнению со своим максимальным значением.

Как видим, процедура вычисления w_Н сводится к определению постоянных времени конденсаторов С₁, С₂ и С₃. Аналогичный подход относится не только к каскаду ОЭ, но также и к каскадам ОБ и ОК.

В области высоких частот поведение K_U(w) определяется собственной инерционностью транзистора (напомним, что t_a = С_ЭБ  r_Э , что связано с диффузионными процессами в базе, w_a=1/t_a, w_b=1/t_b). Кроме того, имеется влияние емкости транзистора С_КБ. Емкость С_ЭБ часто не учитывают, поскольку она шунтирована малым сопротивлением r_Э. Необходимо учитывать шунтирующее действие емкости нагрузки C_Н. Эквивалентная схема каскада ОЭ для области высоких частот приведена на рис. 2.1, в.

Обозначим R_Г' = R_Г || R_Б. Из анализа данной схемы по аналогии с (2.2) можно вычислить коэффициент передачи каскада по напряжению

K_{U ОЭ}(w) = u_ВЫХ / e_Г = – b(w) Z_Н'(w) / (R_Г' + h _11Э(w)) , (2.7)

где Z_Н' = R _Н' || (1 / jwC_Н),

b(w) = b₀ / (1 +jwt_b ),

h _11Э(w) = r_Б + r_Э (1 + b(w)),

После преобразований (2.7) можно свести к приближенному соотношению

K_U(w) = K_U' / (1 + jwt_В). (2.8)

Считается w_В=1/t_В верхней граничной частотой, на которой K_U(w_в)=K_U'/2.

Для каскада ОЭ

t_В= t_Н' + t_ОЭ (1 – g_Э), (2.9)

t_Н' = R_Н'C_Н,

t_ОЭ = t_b + (b₀+1)С_КБ R_Н'

g_Э = b₀ r_Э / (R_Г' + h _11Э).

Оценочный расчет коэффициента передачи по напряжению в области верхних частот для каскадов ОБ и ОК можно осуществить по формуле, аналогичной (2.8).

Для каскада ОБ

t_В = t_Н' + (t_a + С_КБ R_Н') (1 + g_Б), (2.10)

где g_Б = r_Б / (R_Г' + h _11Б).

Для каскада ОК

t_В @ C_Н (R_Н' || (h _11Б + R_Г' (1– a₀))) + t_a + C_КБ R_Г'. (2.11).

Необходимо обратить внимание, что при R_Г' = 0 верхние граничные частоты каскадов ОЭ и ОБ, практически, равны между собой. Увеличение сопротивления R_Г' в цепи базы каскада ОЭ ведут к уменьшению его верхней граничной частоты. Увеличение сопротивления R_Г' в каскаде ОБ способствует увеличению его верхней граничной частоты.

Каскад ОК обладает наиболее высокой верхней граничной частотой.

Искажение прямоугольного импульса усилителем

Искажения формы прямоугольного импульса усилителем и его амплитудно-частотная характеристика тесно связаны друг c другом. В лабораторной работе изучается усилительный каскад, верхняя и нижняя граничные частоты которого существенно различаются. В этом случае для оценки искажения импульсного сигнала каскад с определенной степенью точности можно представить схемой замещения (рис. 2.2, а). Здесь усилитель представлен частотно-независимым звеном с коэффициентом передачи по напряжению K_U⁰, соответствующим усилению на средних

частотах. Уменьшение коэффициента передачи в области нижних частот, описываемое звеном C₀₁R₀₁ = t_Н = 1 / w_Н всего усилительного каскада, и спад вершины усиливаемого импульса имеют одну и ту же причину. Аналогично, уменьшение коэффициента усиления в области верхних частот описываемое звеном t_В = C₀₂R₀₂ = 1/w_В всего усилителя, и завал фронта усиливаемого импульса имеют одну и ту же причину.

Значительное отличие верхней граничной частоты от нижней приводит к тому, что переходной процесс при формировании фронта импульса практически не влияет на процесс формирования его вершины, и эти процессы можно рассматривать независимо.

Формирование фронта импульса определяется зарядкой емкости C₀₂ через резистор R₀₂ в интегрирующем звене рис. 2.2, а, т.е. связано с существованием верхней граничной частоты усилителя. Процесс описывается уравнением

(E_Г – U_ВЫХ) / R₀₂ = C₀₂ dU_ВЫХ /d t.

Его решение: – U_ВЫХ(t)/E_Г = 1 – exp(– t /t_В)

позволяет определить времена нарастания (t^0-1) и спада (t^1-0) импульса (рис. 2.2, б) на уровне 0.1 – 0.9 от установившегося значения:

t^0-1 = t^1-0 = 2.2t_В = 2.2 / w_В = 0.35 / f_В.

Формирование вершины импульса определяется перезарядкой емкости C₀₁ через резистор R₀₁ в дифференцирующем звене и связано с наличием нижней граничной частоты усилителя. Процесс описывается уравнением

C₀₁ d (E_Г – U_ВЫХ) / d t = U_ВЫХ /R₀₁.

Его решение

DU_ВЫХ(T_И)/ E_Г = 1 – exp(–T_И /t_Н )

позволяет определить временя T_И, за которое произойдет спад вершины импульса DU_ВЫХ (рис. 2.2, в). Если DU_ВЫХ / E_Г < 0.2, то

DU_ВЫХ / E_Г @ T_И /t_Н .

Полная осциллограмма искаженного импульса представлена на рис. 2.2, г.

Необходимо подчеркнуть, что рассмотренные соотношения справедливы для одиночных RC–цепей. В реальных усилителях таких цепей несколько, и поэтому в этом случае эти соотношения являются оценочными.

Задание

1. Для выбранного каскада исследовать режим работы по постоянному току. Определить необходимые малосигнальные параметры транзистора и с учетом данных t_a, t_b и находящихся на стенде номиналов элементов схемы рассчитать w_В и w_Н частоты каскада.

2. Снять амплитудно-частотную характеристику каскада. При этом уровень сигнала должен быть таким, чтобы не допускалось появление нелинейных искажений. Построить амплитудно-частотную характери-стику (в полулогарифмическом масштабе). Определить по результатам измерений w_В и w_Н частоты. Сравнить с рассчитанными в п. 1.

3. Изучить импульсные свойства каскада. Для этого воспользоваться генератором прямоугольных импульсов (Г5-54) и осциллографом (С1-94). Регулировать амплитуду входного сигнала так, чтобы не превышать амплитудные возможности каскада. Измерить длительности фронтов нарастания и спада выходного сигнала. Сравнить с ожидаемым из измерений п. 2.

4. Подобрать длительность импульса так, чтобы относительный спад вершины импульса на выходе усилителя составлял не более 20%. Измерить длительность импульса. Результат сопоставить с ожидаемым из п.2.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гусев В.Г., Гусев М.Ю. Электроника. – М.: Высш. шк., 1982. С. 162–180.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. – М.: Телеком, 1999.